CN107076523A - 具有相变组合物的热传递系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种热传递系统，其包括热交换器，所述热交换器包括入口、出口和穿过所述热交换器的位于所述入口与所述出口之间的流动路径。所述系统还包括位于所述热交换器外部的连接所述出口与所述入口的流体循环回路。相变组合物设置在所述系统中，流动通过所述流体循环回路和穿过所述热交换器的所述流动路径。所述相变组合物包含第一PCM和第二PCM，所述第一PCM为具有第一熔点的植物油或动物油或者石蜡基油，所述第二PCM为具有低于所述第一熔点的第二熔点的植物油或动物油或者石蜡基油。

Description

具有相变组合物的热传递系统
发明背景
本文公开的主题总体上涉及热传递系统及其操作，并且更具体地涉及利用相变材料的热传递系统。
相变材料(PCM)已经被公开用于各种应用，诸如用于电子部件的HVAC&R (加热、通风、空气调节和制冷)和热量管理。相变材料由于它们与非相变热材料相比的高比热值而在热管理领域提供益处。相变材料的许多应用利用了向和从相变材料的被动热传递，在被动热传递中相变材料充当一种热缓冲剂，其中它根据PCM和周围环境的相应温度吸收热量或者将热量释放到周围环境。此类系统可能是有效的，但因为有效表面面积和热传输限制而在传热速率的效率方面受到限制。
还已经提出主动热传递系统，其中热传递流体被泵送或者以其他方式致使其流动通过或经过静态PCM。尽管此类系统与静态系统相比可提供传热速率改进，但它们常常需要额外的复杂度来配置PCM，以便在与热传递流体交接时使PCM的较大表面面积维持在其相变状态下。例如，当与热传递流体交接时液态PCM转变成固态PCM时，固态PCM (其具有比液态下低的导热性)充当流动的热传递流体与液态下的剩余PCM之间的热障。另外，此类系统还受到用来将热量传递到或远离相变材料的热传递流体回路所固有的效率限制。PCM浆料已经被提议作为用来克服这些限制中的部分限制的方式，这是通过以下手段实现的：允许相变材料作为流体流动从而使得能够将PCM递送到希望热量被递送或吸收的位置，而不是通过使用热传递流体在这种位置与静态PCM之间传递热量。然而，由于诸多问题，PCM浆料尚未实现广泛的商业成功。通常，PCM浆料包含非PCM液体作为载体，而将可在液态与固态之间转变的PCM材料分散在其中。PCM浆料中的PCM材料通常包含在微胶囊中或者被乳化为液体载体中的微滴/微粒。包含PCM的微胶囊的制造增加了材料的复杂性和费用，并且微胶囊壁还充当降低流体与PCM材料之间的导热性的绝缘体。另外，相变过程中经历任何显著体积变化的材料在重复的相变周期之后可能损害微胶囊的结构。PCM乳液浆料可能难以在重复的相变周期内保持为稳定乳液，并且对于在所希望的温度下提供有效相变性能并且还形成稳定乳液的材料的选择受到限制。对乳化剂的需求也会不利地影响系统的成本和性能。可有效地分散在液体载体中的胶囊化或乳化PCM的量的限度也会限制PCM浆料的有效性。另外，许多类型的PCM材料所共有的问题在于PCM材料常常具有发生相变的有限温度范围，从而限制了它们针对在宽温度范围内操作的热传递系统的有效性。
发明简述
根据本发明的一个方面，热传递系统包括热交换器，所述热交换器包括入口、出口和穿过热交换器的位于入口与出口之间的流动路径。所述系统还包括位于热交换器外部的连接出口与入口的流体循环回路。相变组合物设置在系统中，流动通过流体循环回路和穿过热交换器的流动路径。相变组合物包含第一PCM和第二PCM，所述第一PCM为具有第一熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油，所述第二PCM为具有低于第一熔点或凝固温度的第二熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油。如果穿过热交换器的流动路径处于热吸收模式并且第二PCM处于固态，那么当穿过热交换器的流动路径的与相变组合物相接触的表面具有处于或高于第二熔点的温度时，系统提供相变性能(即，通过第二PCM的熔化潜热传递来自相变组合物的热量)。如果穿过热交换器的流动路径处于排热模式并且第一PCM处于液态，那么当穿过热交换器的流动路径的与相变组合物相接触的表面具有处于或低于第一凝固温度的温度时，系统提供相变性能(即，通过第一PCM的熔化潜热将热量传递到相变组合物)。
在本发明的另一个方面，传递热量的方法包括使相变组合物流动通过热交换器中的位于所述热交换器的入口与出口之间的流动路径，和位于所述热交换器外部的连接出口与入口的流体循环回路。相变组合物包含第一PCM和第二PCM，所述第一PCM为具有第一熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油，所述第二PCM为具有低于第一熔点或凝固温度的第二熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油。如果穿过热交换器的流动路径处于热吸收模式，那么穿过热交换器的与相变组合物相接触的表面具有处于或高于第二熔点或凝固温度的温度。如果穿过热交换器的流动路径处于排热模式，那么穿过热交换器的与相变组合物相接触的表面具有处于或低于第一凝固温度的温度。
附图简述
在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从以下结合附图进行的详述显而易见，在附图中：
图1是描绘如本文所描述的制冷系统的示例性实施方案的示意性框图；并且
图2是描绘如本文所描述的制冷系统的示例性实施方案的示意性框图；并且
图3A和图3B描绘用于如本文所描述的制冷系统的示例性热交换器蒸发器单元的顶视图和侧视图。
发明详述
图1示意性地例示示例性热传递系统。如图1所示，热交换器12具有入口14、出口16和穿过热交换器12的流动路径18。PCM储器20包含相变组合物22。相变组合物22通过泵26泵送通过流动回路24以便循环通过热交换器12中的流动路径18。热量被描绘为传递进或传递出热交换器12以便向或从流动通过流动路径18的相变组合物传递热量。
图2的框图形式中示出另一个示例性热传递系统，其还包括蒸气压缩机制冷系统。如图2所示，制冷循环回路100中的压缩机110将制冷剂(未示出)加压成处于其气态，所述压缩机110对制冷剂进行加热并且还提供压力以使其在整个系统内循环。从压缩机110离开的热加压气态制冷剂流动通过导管115以便对交换器冷凝器120进行加热，所述交换器冷凝器120充当热交换器来将热量从制冷剂传递至周围环境，诸如传递至由风扇(未示出)吹送的跨热交换器冷凝器120的空气环流122。热制冷剂在热交换器冷凝器120中冷凝成加压的中等温度液体。从冷凝器120离开的液态制冷剂流动通过导管125到达膨胀装置130，在所述膨胀装置130中压力降低。离开膨胀装置130的压力降低的液态制冷剂流动通过导管135到达热交换器蒸发器140，从所述热交换器蒸发器140流动通过导管143到达压缩机110的入口，从而完成回路。热交换器蒸发器140充当热交换器来从流体吸收热量(即，冷却或调节)，所述流体诸如为有待被空气调节或制冷的空间中的空气，其在图1中被描绘为跨热交换器蒸发器140流动的气流142。或者，由热交换器蒸发器冷却的流体可以是如水的热传递流体，其中由热交换器蒸发器140冷却的水在次级热传递回路中流动通过另一个热交换器(未示出)，有待被调节或制冷的空气经过所述另一个热交换器。另外，如本领域所已知的，所述系统还可使用标准多端口切换阀颠倒制冷剂流动方向以及冷凝器和蒸发器热交换器的功能来在热泵模式下操作，即，处于冷却模式的冷凝器是处于热泵模式的蒸发器，而处于冷却模式的蒸发器是处于热泵模式的冷凝器。
图3A和图2B示出热交换器/蒸发器140的其他细节，其分别描绘热交换器蒸发器140的顶视图和侧视图。如图3A和图3B所示，热交换器/蒸发器140具有外壳205，所述外壳205具有设置在其中的翅片210，如通常可在翅管式热交换器中所发现的那样。除了为热交换器/蒸发器140中的翅片和管提供安装结构之外，外壳205还为已调节流体235的流动路径提供壳体，所述已调节流体235例如可以是如上所述的空气或水。制冷剂管215设置在外壳205中，与翅片210交叉并且热接触。应注意如本文所使用，复数的“管(tubes)”可以是指穿过热交换器/蒸发器140平行布设的多根管，或者穿过热交换器/蒸发器140具有多个管程的单根管。为了便于例示，制冷剂管215在图2A中未示出(它们在图2B中示出)，但是以与图2A中示出的PCM管220类似的方式穿过外壳205和翅片210布设。PCM管220和制冷剂管215都穿过相同翅片210机架的布设通过管壁和翅片在制冷剂与相变材料之间提供导热连接。
现在参考图2和图3A，PCM组合物设置在PCM管220中并且可在PCM回路145中在热交换器/蒸发器140与PCM储器150之间循环。具体而言，PCM组合物由泵155从PCM储器150抽吸出来通过导管160、阀165和导管170，并随后通过导管175到达PCM管入口225。PCM组合物流动通过PCM管220并随后通过PCM管出口230离开热交换器/蒸发器140，从所述PCM管出口230流动通过导管180、阀185和导管190来返回到PCM储器150。在替代实施方案中(未示出)，PCM管220未连接到PCM组合物回路145，并且相变材料相反静态地包含在PCM管220中。在图1的示例性系统中，可通过控制泵155的速度和/或阀160和阀185的位置来控制向或从PCM的热传递速率。在一些实施方案中(未示出)，PCM组合物可穿过或跨热交换器蒸发器140或热交换器冷凝器120布设，其任一种均可被配置为多边热交换器来容纳制冷剂、PCM组合物和已调节流体并且提供平行热流路径。更具体而言，PCM组合物可被布设到热交换器冷凝器120(此时用作散热器)。
在一种操作模式期间，当压缩机110是打开的时，具有处于例如5℃的有效凝固温度的PCM组合物可被冷却至凝固温度或低于凝固温度并且制冷量(cooling capacity)被储存到PCM储器150内的PCM组合物中。PCM浆料的温度保持在凝固温度附近，直到PCM储器150内具有大于5℃的凝固温度的全部PCM凝固为止。在此时间期间，制冷剂管205中的制冷剂还使已调节流体(例如，空气)冷却，同时传递来自PCM组合物的热量，从而将制冷量储存在PCM储器150中。已调节流体与PCM和制冷剂之间的这种平行热耦合为传统上使用的制冷剂-PCM-空气串联耦合提供替代的热力学效率状况(profile)，同时提供PCM热能储存的益处，诸如管理每日外部温度周期和制冷负荷变化性。
除了上述操作模式之外，制冷系统可容易提供其他操作模式。例如，在另一种操作模式中，储存在PCM储器中的预储存制冷量可用来在具有高要求的临时阶段期间(诸如在进或出已制冷卡车或其他已制冷空间的装载操作之后)增大有效的系统制冷量。当PCM组合物泵和压缩机同时运转时，已膨胀制冷剂和来自循环通过PCM储器和蒸发器热交换器的PCM组合物的冷却可同时使负载冷却，或者流动通过冷凝器的PCM组合物可充当散热器。在又一种操作模式中，PCM中的预储存制冷量可用来为利用可变速压缩机进行的系统控制提供有效替代方案。在此模式中，PCM可提供可变制冷量来补充利用在固定速度下运行的压缩机的制冷剂回路的操作，从而避免在不使用可变速压缩机的情况下开/关控制的低效率。当PCM组合物泵和压缩机都高速地运转时，储存物被填充。在压缩机被关闭时，所填充的制冷量可在部分负载下放出。
如以上所提及的，相变组合物包含第一PCM和第二PCM，所述第一PCM为具有第一熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油，所述第二PCM为具有低于第一熔点或凝固温度的第二熔点或凝固温度的植物油或动物油或者石蜡基油。以下在表1中阐述了示例性油及其熔点。
表1
油 熔点(℃) 熔点(℉)
蓖麻油 -18 -0.4
椰子油 25 77
玉米油 -9.72 14.5
棉籽油 -1 -30.2
亚麻籽油 -24 -11.2
羊脂 42 107.6
橄榄油 -6 21.2
棕榈仁油 24 75.2
棕榈油 35 95
花生油 3 37.4
菜籽油 -10 14
葵花籽油 -17 1.4
大豆油 -16 3.2
桐油 -2.5 27.5
如果穿过热交换器的流动路径处于热吸收模式，穿过热交换器的流动路径的与相变组合物相接触的热交换器表面具有处于或高于第二熔点的温度并且第二PCM的至少一部分处于固态，那么热传递系统提供相变性能(即，将通过熔化潜热向或从组合物的一种或多种成分传递热量)。如果穿过热交换器的流动路径处于排热模式，穿过热交换器的流动路径的与相变组合物相接触的热交换器表面具有处于或低于第一凝固温度的温度并且第一PCM的至少一部分处于液态，那么热传递系统也提供相变性能。当然，系统并非必需针对所有PCM始终都在相变模式下进行操作，而是针对一些PCM也可在非相变模式下操作。例如，当第一PCM的接连较大部分被凝固时，系统可在排热相变模式下进行操作，并且随后当已凝固第一PCM和仍处于液态的第二PCM的温度下降时在副冷却模式(sub-cooling mode)下进行操作，直到达到第二PCM的凝固温度为止，并且当第二PCM开始凝固时，系统再次在相变模式下进行操作。类似地，当第二PCM的接连较大部分熔化时，系统可在热吸收相变模式下进行操作，并且随后当液态第二PCM和仍处于固态的第一PCM两者的温度升高时在非相变模式下进行操作，直到达到第一PCM的熔点为止，并且所述第一PCM开始熔化且系统再次在相变模式下进行操作。在热吸收模式下，加热可继续到高于第一PCM的熔点。
除了第一和第二PCM (或非油PCM，诸如浓缩盐溶液)之外，根据系统操作设计，相变组合物还可包含植物油或动物油或者石蜡基油PCM以便提供多个相变温度点或温度范围。第一和第二PCM以及任何附加PCM的选择可根据特定系统的操作参数改变。例如，含50%:50%比率的椰子油(熔点25℃)和玉米油(熔点-9.72℃)的组合物可生成具有约15.55℃的有效凝固点的混合物。在一些实施方案中，相变组合物中的PCM被选择成使得各自可在系统的不同操作参数下提供相变性能。这与液体载体总体上始终保持在其液态形式下的先前技术的乳液和微胶囊化分散体形成对比。另外，PCM在液相中往往是相容的，乃至完全可混溶的，并且在一种或多种PCM处于液相且一种或多种PCM处于固相的混合相中同样是相容的，使得可降低或消除对乳化剂或分散剂的需求。
在一些实施方案中，PCM组合物穿过热交换器的流动路径与蒸气压缩制冷系统处于热连通。在一些示例性实施方案中，PCM组合物具有-50℃至50℃范围内的凝固温度，并且包括具有5℃至50℃范围内的熔点的第一PCM和具有-50℃至13℃范围内的熔点的第二PCM。这种PCM组合物的示例性使用可以是用于接收并储存来自蒸气压缩制冷系统中的已调节流体的热量。在一些示例性实施方案中，PCM组合物具有-50℃至7℃范围内的凝固温度，并且包括具有-10℃至7℃范围内的熔点的第一PCM和具有-50℃至0℃范围内的熔点的第二PCM。这种PCM组合物的示例性使用可以是用于储存来自蒸气压缩热传递系统中的蒸发器的热量和/或将储存的热量传递至所述蒸发器。在一些示例性实施方案中，PCM组合物具有0℃至50℃范围内的凝固温度，并且包括具有13℃至50℃范围内的凝固温度的第一PCM和具有0℃至25℃范围内的凝固温度的第二PCM。这种PCM组合物的示例性使用可以是用于储存来自蒸气压缩热传递系统中的冷凝器的热量和/或将储存的热量传递至所述冷凝器。热交换器及其连接件可被配置用于使PCM组合物与蒸气压缩热传递系统的已调节流体、蒸发器或冷凝器中的任一种独立地热连通。在一些实施方案中，PCM流动路径可与已调节流体、蒸发器或冷凝器中的一种或多种并行地热连通，如美国专利申请序列号61/718,450和PCT/US2013/056453中所公开，所述专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
尽管仅结合有限数量的实施方案对本发明进行详细描述，但应容易理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，本发明可进行修改以便并入上文未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，不应认为本发明受限于前面的描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种热传递系统，其包括：
热交换器，其包括入口、出口和穿过所述热交换器的位于所述入口与所述出口之间的流动路径；
位于所述热交换器外部的连接所述出口与所述入口的流体循环回路；以及
流动通过所述流体循环回路和穿过所述热交换器的所述流动路径的相变组合物，所述相变组合物包含为具有第一熔点的植物油或动物油或者石蜡基油的第一相变材料(PCM)，和为具有低于所述第一熔点的第二熔点的植物油或动物油或者石蜡基油的第二PCM；
其中在穿过所述热交换器的所述流动路径处于热吸收模式并且所述第二PCM的至少一部分处于固态时，穿过所述热交换器的所述流动路径的与所述相变组合物相接触的表面具有处于或高于所述第二熔点的温度，或者在穿过所述热交换器的所述流动路径处于排热模式并且所述第一PCM的至少一部分处于液态时，具有处于或低于所述第一熔点的温度。
2.如权利要求1所述的热传递系统，其还包括用于设置在所述流体循环回路中的所述相变组合物的储器。
3.如权利要求1或2所述的热传递系统，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与蒸气压缩制冷系统处于热连通。
4.如权利要求3所述的热传递系统，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的已调节流体处于热连通。
5.如权利要求3或4所述的热传递系统，其中所述相变组合物具有-50℃至50℃范围内的凝固温度，并且其中所述第一PCM具有5℃至50℃范围内的熔点，并且所述第二PCM具有-50℃至13℃范围内的熔点。
6.如权利要求3或4所述的热传递系统，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的制冷剂处于热连通。
7.如权利要求6所述的热传递系统，其中所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的蒸发器连通，并且其中所述PCM组合物具有-50℃至7℃范围内的凝固温度，并且其中所述第一PCM具有-10℃至7℃范围内的熔点，并且所述第二PCM具有-50℃至0℃范围内的熔点。
8.如权利要求6所述的热传递系统，其中所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的冷凝器处于流体连通，并且其中所述PCM组合物具有0℃至50℃范围内的凝固温度，并且其中所述第一PCM具有13℃至50℃范围内的凝固温度，并且所述第二PCM具有0℃至25℃范围内的凝固温度。
9.如权利要求1-8中任一项所述的热传递系统，其中所述相变组合物还包含第三PCM或附加PCM。
10.如权利要求1-9中任一项所述的热传递系统，其中所述PCM为植物油。
11.如权利要求1-9中任一项所述的热传递系统，其中所述PCM选自天然油和石蜡基油以及基于纯脂肪酸的PCM。
12.如权利要求10或11所述的热传递系统，其中所述第一PCM和所述第二PCM各自独立地选自蓖麻油、椰子油、玉米油、棉花籽油、亚麻籽油、橄榄油、棕榈仁油、棕榈油、花生油、菜籽油、葵花油、大豆油或桐油、石蜡基油。
13.如权利要求10或11所述的热传递系统，其中所述第一PCM选自椰子油、棕榈仁油、棕榈油，并且所述第二PCM选自玉米油、葵花油、大豆油、桐油。
14.一种传递热量的方法，其包括
使相变组合物流动通过热交换器中的位于所述热交换器的入口与出口之间的流动路径，和位于所述热交换器外部的连接所述出口与所述入口的流体循环回路；
其中所述相变组合物包含第一PCM和第二PCM，所述第一PCM为具有第一熔点的植物油或动物油或者石蜡基油，所述第二PCM为具有低于所述第一熔点的第二熔点的植物油或动物油或者石蜡基油；
其中在穿过所述热交换器的所述流动路径处于热吸收模式时，穿过所述热交换器的所述流动路径的与所述相变组合物相接触的表面具有处于或高于所述第二熔点的温度，或者在穿过所述热交换器的所述流动路径处于排热模式时，具有处于或低于所述第一熔点的温度。
15.如权利要求14所述的热传递系统，其中所述流体循环回路还包括用于所述相变组合物的储器。
16.如权利要求14或15所述的方法，其还包括操作与穿过所述热交换器的所述流动路径处于热连通的蒸气压缩制冷系统。
17.如权利要求16所述的方法，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的已调节流体处于热连通。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的制冷剂处于热连通。
19.如权利要求18所述的方法，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的蒸发器处于热连通。
20.如权利要求18所述的方法，其中穿过所述热交换器的所述流动路径与所述蒸气压缩制冷系统中的冷凝器处于热连通。
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